PLC控制系统应用设计

第7章PLC控制系统应用设计

教学提示：PLC控制系统的设计主要包括系统总体设计、软件设计和安装调试等方面的内容。PLC控制系统必须经过周密的设计才能付诸实施，否则将会造成意想不到的浪费，更严重的是可能引发严重的安全事故。本章主要介绍了PLC控制系统的设计原则、方法、步骤和内容，设计与实施过程中应该注意的事项。

教学目标：通过本章的学习，读者可以了解PLC控制系统的设计原则、方法、步骤和设计内容，设计与实施过程中应该注意的事项，学会选择合适的PLC设计出合理的PLC控制系统。7.1

PLC控制

7.

可编程控

7.3

菱FX制用7.1

PLC控制系统设计的步骤和内容7.1.1

P

7.

2

PLC

PLC

7

5

系统

7.1.1

PLC控制系统设计的原则和步骤可编程控制器控制系统设计的原则

一个实际的PLC控制系统是以PLC为核心组成的电气控制系统，实现对生产设备和工业过程的自动控制,以提高生产效率和产品质量。在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则。最大限度地满足被控对象的控制要求

充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的最基本和最重要的要求，也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料和相关国内、国外的先进资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。2)

确保PLC控制系统的安全可靠

保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定地运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择和软件编程上全面考虑，以确保控制系统安全可靠。尤其是在以提高产品数量和质量，保证生产安全为目标的应用场合，必须将可靠性放在首位。3)

力求PLC控制系统简单、经济、使用及维修方便

在满足控制要求和保证可靠工作的前提下，应力求控制系统结构简单。只有结构简单的控制系统

才具有经济性、实用性的特点，才能做到使用方

便和维护容易。这就要求设计者不仅应该使控制

系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维

护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。4)

适应发展的需要

由于技术的不断发展，控制系统的要求也将不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展

和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出

模块、I／O点数和内存容量时，要适当留有余量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。2．可编程控制器控制系统设计的步骤分析被控对象并提出控制要求

详细分析被控对象的工艺过程、工作特点、控制系统的控制过程、控制规律、功能和特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，包括控制的基本方式、所需要完成的功能、必要的保护和报警等。

详细了解被控对象的全部功能，如各部件的动作过程、动作条件、与各仪表的接口、是否与PLC或计算机或其他智能设备相连等。还要详细了解输入/输出信号的性质，是开关量、模拟量等，并在以上工作的基础上清楚的查询到接入PLC信号的数量，以便选择合适的PLC。2)

确定输入/输出设备

根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备(如按钮、位置开关、转换开关及各种传感器等)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号指示灯及其他执行器等)，从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。3)选择合适的PLC

PLC的选择包括对PLC的机型、容量、开关输入量的点数以及输入电压、开关输出量的点数以及输出功率、模拟量

I/O的点数、通信网络、电源等的选择。4)I/O点分配

分配PLC的I/O点，画出PLC的I/O端子与输入/输出设备的连接图或分配表。在连接图或分配表中，必须指定每个

I/O对应的模块编号、端子编号、I/O地址、对应的输入/输出设备等。5)设计软件及硬件PLC程序设计的一般步骤①根据工艺流程和控制要求，画出系统的功能图或流程图。②根据I/O分配表或I/O端子接线图，将功能图和流程图转化成梯形图。硬件设计及现场施工的一般步骤①设计控制柜布置图、操作面板布置图和接线端子图等。②设计控制系统各部分的电气图。③根据图纸进行现场接线。6)调试程序

先进行模拟调试，然后再进行系统调试。调试时可模拟用户输入设备的信号给PLC，输出设备可暂时不接，输出信号可通过PLC主机的输出指示灯监控通断变化，对于内部数据的变化和各输出点的变化顺序，可在上位计算机上运行软件的监控功能，查看运行动作时序图，或者借助于编程器的监控功能。

模拟调试和控制柜等硬件施工完成后，就可以进行整个系统的现场联机调试。现场调试是指将模拟调试通过的程序

结合现场设备进行联机调试。通过现场调试，可以发现在

模拟调试中无法发现的实际问题，然后逐一排除这些问题，直至调试成功。7)

编写有关技术文件

技术文件主要包括技术说明书、使用说明书、电气原理图、接线端子图、PLC梯形图和电器布置图等，完成整个PLC控制系统的设计。

以上是设计一个PLC控制系统的大致步骤。具体的系统设计要根据系统规模的大小、控制要求的复杂程度、控制程序步数的多少来灵活处理，有的步骤可以省略，也可进行适当的调整。7.1.2

PLC系统硬件组成PLC机型的选择

目前，PLC的种类非常繁多，不同种类之间的功能设置差异很大，这就要求用户在选择PLC时，不要盲目地追求功能强大，而是在满足控制系统功能需要的前提下，力争最好的性价比，并有一定的可升级性。结构形式的选择

在小型控制系统中，当使用环境条件较好、维修量较小、工艺流程相对固定的一般选用整体式结构的PLC；当环境条件较差、维修量较大、工艺流程较复杂、相对变动较大的控制系统中，一般选用模块式结构的PLC。2)

功能的选择

由于一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。对于需要模拟量控制的系统，可选用能带

A/D和D/A转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。对于控制较复杂，要

求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，

可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档

PLC。3)响应速度的选择

PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速I/O处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。4)系统可靠性的要求

对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对于控制要求较高的系统(比如实现PID运算、闭环控制等控制系统)，应选用中档机或高档机，并考虑是否采用冗余控制系统。5)机型统一

对于一个企业来说，应尽量做到PLC机型统一。这样，同一机型的PLC模块互为备用，便于备件的采购和管理，同时由于其机型统一，资源可以共享，便于相互通信集中管理。PLC容量的选择PLC容量包括I/O点数和用户程序存储器两个方面。I/O点数的估算

首先确定控制系统的I/O点数，然后再留有15％～20％数量的备用量。控制系统I/O点数加上备用的

I/O点数就是所需的I/O总点数。2)

存储容量的选择

用户程序存储器容量与许多因素有关，如I/O点数、运算处理量以及程序的结构等，因此不可能预先准确地计算出程序容量，只能作粗略的估算。一

般用户存储容量=(开关量输入点数×10+开关量输出点数×5+模拟量输入输出点数×100)字节。为

了使用方便，一般应留有估算容量的30％～50％的余量。对于经验缺乏者，留有的余量应更大些。开关量输入/输出模块的选择

不同的开关量I/O模块的电路组成不同，开关量I/O模块的选择主要是根据I/O点数、电路结构、电压形式、电压范围等方面。1)开关量输入模块的选择输入信号类型的选择

常用的开关量输入模块的输入信号类型有直流输入、交流输入和直流／交流输入3种。直流输入电源一般为DC24V，交流输入电源一般为AC110V或AC220V(2)

输入接线方式的选择IN0IN1INnPLC...IN2...

开关量输入模块的接线有共点式输入接线方式和分组式输入接线方式两种方式。COM

COM1IN0IN1IN2PLC～COM2IN3IN4IN5图7.1 共点式输入方式图7.2 分组式输入方式2)开关量输出模块的选择输出方式的选择

开关量输出模块的输出方式有继电器输出、晶体管输出和双向可控硅输出三种。直流负载应选用晶体管输出方式或继电器输出方式；交流负载应选用双向可控硅输出方式或继电器输出方式。通断动作频繁，应该选用晶体管输出方式或双向可控硅输出方式；通断动作频率较低的负载，应选用继电器输出方式。用户应该根据不同的负载类型来选取不同的输出方式，这对系统的稳定运行是很重要的。(2)

输出接线方式的选择

开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式。分组式输出接线是几个输出点为一组，一组有一个公共端，各组之间是分隔的，可分别用于驱动不同电源的外部输出设备；分隔式输出接线是每一个输出点就有一个公共端，各输出点之间相互隔离。选择时主要根据PLC输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。COM0OUT0OUT1OUT2COM1OUT3OUT4OUT5P

L

C~COM0OUT0COM1OUT1COM2OUT3~~P

L

C(a)分组式输出图7.3(b)分隔式输出开关量输出块的接线方式特殊功能模块的选择

在设计PLC控制系统时，可能会遇到一些用开关

量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块不能解决的问题，比如定位、高速计数、PLC通信、PID运算等。此时就应该考虑所选的PLC供应厂商是否

提供这些特殊功能模块。PLC编程方式的选择

PLC的编程方式有两种：指令编程器和编程软件。指令编程器主要用于小型PLC，其控制规模小，

编程简单。对于中型和大型PLC，主要用编程软

件进行编程。现在，随着笔记本电脑的普及和应用，编程软件应用的场合越来越广。PLC环境因素的考虑

虽然大部分的PLC都能在相对恶劣的环境条件中可靠地工作，但是不同的PLC都有自己的环境性能指标，用户在选用时，应对环境因素予以充分的考虑。7.1.3

PLC的程序设计PLC程序的内容

PLC控制系统的功能就是通过程序来实现的。PLC程序的内容通常包括初始化程序；检测、故障诊断和显示程序；保护和联锁程序。初始化程序的主要内容包括将某些数据区和计数器进行清零、使某些数据区恢复所需数据、对某些输出量置位或复位以及显示某些初始状态等。应用程序一般都设有检测、故障诊断和显示程序等内容。保护和联锁程序是杜绝由于非法操作而引起的控制逻辑混乱，保证系统的运行更安全、更可靠。PLC程序设计的要求

选用同一个机型的PLC实现同一个控制要求，采用不同的设计方法所编写的程序，其结构不同。尽管程序可以实现同一控制功能，但是程序的质量却可能差别很大。一个程序的质量可以由以下几个方面来衡量：一是程序的正确性。所谓正确的程序必须能经得起系统运行实践的考验。二是程序的可靠性。应用程序要保证系统在正常和非正常工作条件下都能安全可靠地运行，也能保证在出现非法操作(如按动或误触动了不该动作的按钮)等情况下不至于出现系统控制失误。三是参数的调整性。容易通过修改程序或参数而改变系统的某些功能。四是程序要简练。编写的程序简练，减少程序的语句，一般可以减少程序扫描时间，提高PLC对输入信号的响应速度。五是程序的可读性。程序不仅仅给设计者自己看，系统的维护人员也要看。3．PLC程序设计的常用方法经验法编程

经验法编程就是根据工艺流程和控制要求，运用自己的或者别人的经验进行设计。通常在设计前先选择与自己控制要求相近的程序，再结合自己工程的实际情况，对程序进行修改，使之适合自己的工程要求。

对简单的控制系统来说，采用经验设计法进行设计是比较有效的，可以快速地完成软件的设计。但是对于比较复杂的控制系统，则很少采用经验设计法。2)图解法编程

图解法是靠画图来进行PLC程序设计。常见的主要有梯形图法、逻辑流程图法、时序流程图法和步进顺控法。梯形图法

梯形图法是用梯形图语言去编写PLC程序。这是一种模仿继电器控制系统的编程方法。其图形及元件名称都与继电器控制电路十分相近。这种方法很容易就可以把原继电器控制电路移植成PLC的梯形图语言。(2)逻辑流程图法

逻辑流程图法是用逻辑框图来表示PLC程序的执行过程，反应输入与输出的关系。逻辑流程图法是把系统的工艺流程用逻辑框图表示出来。这种方法类似于高级语言的编程方法（先画程序流程图，然后再编程），由于该方法详细描述了控制系统的控制过程，便于分析控制程序、查找故障点、调试和维护程序。(3)时序流程图法

时序流程图法是首先画出控制系统的时序图(即到某一个时间应该进行哪项控制的控制时序图)，再根据时序关系画出对应的控制任务的程序框图，最后把程序框图转换成PLC程序。时序流程图法

很适合于以时间为基准的控制系统的编程。(4)步进顺控法

步进顺控法是在顺控指令的配合下设计复杂的控制程序。复杂的程序一般都可以分成若干个功能比较简单的程序段，一个程序段可以看成整个控制过程中的一步。从总体上看，一个复杂系统的控制过程是由这样若干个环节组成的。控制系统的任务实际上可以认为在不同时刻或者在不同进程中去完成对各个环节的控制。为此，不少PLC生产厂家在自己的PLC中增加了步进顺控指令。在画完各个步进的状态流程图之后，可以利用步进顺控指令方便地编写控制程序。7.1.4系统调试与改进 PLC系统的调试分为硬件调试和程序调试。通常这两部分是相互关联、紧密联系的。硬件调试主要是测试PLC控制系统的接线是否正确，PLC控制器及其模块是否正常工作。外部接线一定要正确，特别是要注意电源线短路这种情况，因为电源短路将会烧坏系统元器件，甚至烧坏PLC。

如果接线正确，则可以通电查看PLC系统的运行情况，这主要依赖PLC本身的报错指示灯，一般报错指示灯亮表明系统有错误，当然这有可能是

PLC程序及配置参数出错，也有可能是PLC本身

硬件出错，可根据系统的实际情况来判断，找出故障并及时修复。

PLC程序的调试可以分为模拟调试和现场调试两个调试过程。程序的模拟调试

用户程序一般先在实验室模拟调试。将设计好的程序写入

PLC，用开关和按钮来模拟实际的输入信号，各输出量的通断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用

PLC与实际的负载(如接触器、电磁阀等)连接。可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。

在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。程序的现场调试

完成上述的工作后，将PLC安装在控制现场进行

联机总调试，在调试过程中将暴露出系统中可能

存在的传感器、执行器和接线等方面的问题，以

及PLC的外部接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时加以解决。如果调试达不到

指标要求，则对相应硬件和软件部分作适当调整，通常只需要修改程序就可能达到调整的目的。全

部调试通过后，经过一段时间的考验，系统就可

以投入实际的运行了。7.1.5系统的安装

小型PLC外壳的4个角上都有安装孔。安装的方法有两种。一是用螺钉固定，不同的单元有不同的安装尺寸；另一种是利用PLC底板土的DIN导轨

安装杆将系统所需要的PLC组件如基本单元、扩展单元、A/D转换单元、D/A转换单元及I/O连接单元安装在DIN导轨上。为了使控制系统工作可靠，通常把PLC安装在有保护外壳的控制柜中，以防止灰尘、油污和水溅。电源接线

PLC的供电电源为50Hz、220(1+10％)V的交流电。

FX系列PLC有直流24V输出接线端。该接线端可为输入传感器(如光电开关或接近开关)提供直流

24V电源。2．接地保护措施

良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击带来的危害。PLC一般应与其他设备分别采用各自独立的接地装置，如图7.4(a)所示。若有其他因素影响而无法做到，可与其他设备公用一个接地装置，如图7.4(b)所示。但是，禁止使用串联接地的方式，如图7.4(c)所示，或者把接地端子接到一个建筑物的大型金属框架上，因为此种接地方式会在各设备间产生电位差，会对PLC产生不利影响。PLC接地导线的截面应大于2mm2，接地电阻应小于100Ω。(a)PLC其他设备PLC其他设备PLC其他设备(c)(b)图7.4 PLC接地直流24V接线端

使用无源触点的输入器件时，PLC内部24V电源通过输入器件向输入端子提供每点7mA的电流。

COM端子是直流24V的公共接地端。如果采用扩

展单元，则应将基本单元和扩展单元的24V端连接起来。任何外部电源都不能接到这个端子上。输入接线

PLC一般接收行程开关、限位开关等输人的开关量信号。输入接线端子是PLC与外部传感器负载转换信号的连接端口。输入器件可以是任何无源的触点或集电极开路的NPN型晶体管。输入器件接通时，输入端接通，输入回路闭合，同时输入指示的发光二极管亮。输出接线

输出端接线分为独立输出和公共输出。当PLC的输出继电器或晶闸管动作时，相应的输出端与公共端之间接通。在不同组中，可采用不同类型(直流或交流)和电压等级的输出电压。但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级。7.2可编程控制器控制系统的可靠性设计硬件

软

7.

采用 7.2.1硬件系统的可靠性设计1．合适的工作环境适当的环境温度

通常PLC工作的环境温度约在0℃～55℃。因此，在安装PLC时，四周要有足够的通风散热空间；不要把PLC安装在阳光直接照射或离暖气、加热器、大功率电源等发热器件很近的场所；安装

PLC的控制柜要有通风的百叶窗，当控制柜温度太高时，则应该在柜内安装风扇强迫通风。2)适当的环境湿度

PLC工作环境的空气相对湿度一般要求小于85％，以保证PLC的绝缘性能。湿度太大会影响模拟量输入/输出装置的精度。因此，不能将PLC安装在结露、雨淋的场所。3)注意环境污染

在有大量污染物(如灰尘、油烟、铁粉等)、腐蚀性气体和可燃性气体的场所，易造成元件及印刷线路板的腐蚀，因此不宜PLC的安装。如果只能安装在这种场所，在温度允许的条件下，可以将PLC封闭；或将PLC安装在密闭性较

高的控制室内，并安装空气净化装置。4)远离振动和冲击源

安装PLC的控制柜应当远离有强烈振动和冲击的场所，尤其是连续、频繁的振动。必要时要采取相应措施来减轻振动和冲击的影响，以免造成接线或插件的松动。5)远离强干扰源

PLC应远离强干扰源，如大功率晶闸管装置、高频设备和大型动力设备等，同时PLC还应该远离强电磁场和强放射源，以及易产生强静电的地方。2．安装与布线合理电源安装

电源是干扰进入PLC的一条主要途径。PLC系统的电源有两类：外部电源和内部电源。外部电源是用来驱动PLC输出设备和提供输入信号的，同一台PLC的外部电源允许有多种规格，其容量与性能由输出设备和PLC的输入电路决定。由于

PLC的I/O电路都具有滤波、隔离功能，因此对外部电源的要求不高。

内部电源是PLC内部电路的工作电源，它的性能好坏直接影响到PLC工作的可靠性。因此，为了

保证PLC的正常工作，对内部电源有较高的要求。

在干扰较强或可靠性要求较高的场合，应该用带屏蔽层的隔离变压器对PLC系统供电。还可以在隔离变压器二次侧串接LC滤波电路。同时，在安装时还应注意以下问题。隔离变压器与PLC和I/O电源之间最好采用双绞线连接，以控制串模干扰。系统的动力线应足够粗，以降低大容量设备启动时引起的线路压降。PLC输入电路用外接直流电源时，最好采用稳压电源，以保证正确的输入信号。否则可能使PLC接收到错误的信号。远离高压PLC不能在高压电器和高压电源线附近安装，更不能与高压电器安装在同一个控制柜内。在柜内PLC应远离高压电源线，二者间距离应大于200mm。2)

合理布线I/O线、动力线及其他控制线应分开走线，尽量不要在同一线槽中布线。交流线与直流线、输入线与输出线最好要分开走线。开关量与模拟量的I/O线最好要分开走线，对于传送模拟量信号的I/O线最好用屏蔽线，且屏蔽线的屏蔽层应一端接地。PLC的基本单元与扩展单元之间电缆传送的信号小、频率高，很容易受干扰，不能与其他的连线埋在同一线槽内。PLC的I/O回路配线，必须使用压接端子或单股线，不宜用多股绞合线直接与PLC的接线端子连接，否则容易出现火花。与PLC安装在同一控制柜内，虽不是由PLC控制的感性元件，也应并联RC或二极管消弧电路。3．采取有效的抗干扰措施选择抗干扰能力强的产品

根据各厂家PLC抗干扰性能的优劣，选择有较高抗干扰能力的产品，其包括了电磁兼容性(EMC)，尤其是抗外部干扰的能力。其次是共模拟制比、耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作等。特别要考察该型号PLC在类似工作环境中的使用情况。2)采用性能好的电源

由于电网对PLC控制系统的干扰主要通过PLC系统的供电

电源、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的

仪表供电电源等耦合进入。PLC系统的供电电源一般都采

用隔离性能较好的电源，对变送器的电源及与PLC有直接

电气连接的仪表的供电电源应选择分布电容小、采用多次隔离和屏蔽及漏感技术的产品，以减少对PLC系统的干扰。

此外，PLC电源要与整个供电系统的动力电源分开，一般在进入PLC系统时加屏蔽隔离变压器。利用分离供电系统，即将控制器、I/O通道和其他设备的供电采用各自的隔离

变压器分离开来，也有助于抑制电网干扰。3)

电缆的选择和敷设

PLC控制系统的电路中有电源线、输入/输出线、动力线和接地线，布线不当则会造成电磁感应和

静电感应等干扰，因此必须按照特定的要求布线。布线时要将PLC的输入/输出线与其他控制线分开，不要共用一条电缆。开关量信号线与模拟量信号

线也应分开布线，而且后者应采用屏蔽线，并且

将屏蔽层接地。数字传送线也要采用屏蔽线，并

且要将屏蔽层接地。4)安装中的抗干扰措施滤波器、隔离稳压器应设在PLC控制柜的电源进线口处，不让干扰进入控制柜内，或尽量缩短进线距离。PLC控制柜应尽可能远离高压柜、大动力设备和高频设备。PLC要尽可能远离继电器之类的电磁线圈和容易产生电弧的触点。PLC要远离发热的电气设备或其他热源，并放在通风良好的位置上。PLC的外部要有可靠的防水措施，以防止雨水进入，造成机器损坏。正确选择接地点，完善接地系统。5)外围设备干扰的抑制PLC输入/输出端子的保护

当输入信号源为感性元件，输出驱动的负载为感性元件时，对于直流电路应在其两端并联续流二极管。对于交流电路，应在其两端并联阻容吸收电路。其作用是为了防止在感性输入或输出电路断开时产生很高的感应电动势或浪涌电流对PLC的输入/输出端和内部电源的冲击。如果PLC的驱动元件主要是电磁阀和交流接触器线圈，应在PLC的输出端与驱动元件之间增加光电隔离的过零型固态继电器。(2)输入/输出信号的防错

当输出元件为双向晶闸管或晶体管而外部负载又很小时，又因为这类输出元件在关断时有较大的漏电流，使输人电路和外部负载电路不易关断，导致输入/输出信号的错误，为此应在这类输入/输出端并联旁路电阻，以减小的输入电流和外部负载上的电流。(3)冲击电流

用晶体管或双向晶闸管输出模块驱动白炽灯之类的负载时，输出端并联旁路电阻或与负载串联限流电阻。3)电磁干扰的抑制

PLC控制系统的电磁干扰分为共模干扰和差模干扰。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射等在信号线上感应的电压叠加所形成。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏。这种共模干扰可为直流，也可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间的感应以及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压。这种电压叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。为了保证PLC控制系统在工业环境中免受或减少电磁干扰，一般采用隔离和屏蔽的方法。7.2.2软件系统的可靠性设计

通过硬件要根本消除干扰的影响是不可能的，因此在PLC控制系统的软件设计时，要进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。

对按钮、开关、继电器/接触器触点作为输入信号时，会不可避免产生抖动，引起系统误动作，在这种情况下，可采用定时器延时方法来去掉抖动，定时时间根据触点抖动情况和系统要求的响应速度而定，这样可保证触点确实稳定闭合(或断开)后才执行特定的处理任务。

对于模拟信号可采用多种软件滤波方法来提高数据的可靠性。常用的数字滤波方法有程序判断滤

波、中值滤波、滑动平均值滤波、防脉冲干扰平

均值滤波、算术平均值滤波、去极值平均滤波等。

程序判断滤波适用于对采样信号因受到随机干扰或传感器不稳定而引起的失真进行滤波。设计时根据经验确定两次采样允许的最大偏差，如果先后两次采样的信号差值大于偏差，表明输入是干扰信号，应去掉，用上次采样值作为本次采样值。如果差值不大于偏差，则本次采样值有效。

中值滤波是连续输入3个采样信号，从中选择中间值作为有效采样信号。

滑动平均值滤波是将数据存储器的一个区域(20个单元左右)作为循环队列，每次数据采集时先去掉队首的一个数据，再把新数据放人队尾，然后求平均值。

去极值平均滤波是连续采样n次，求数据的累加和，同时找出其中的最大值和最小值，从累加和中减去最大值和最小值，再求(n-2)个数据的平均值将其作为有效的采样值。

算术平均值滤波是将连续输入的n个采样数据的算术平均值作为有效的信号。它不能消除明显的脉冲干扰，只是削弱其影响。要提高效果可采用去极值平均滤波。

防脉冲干扰平均值滤波是连续进行4次采样，去掉其中的最大值和最小值，再求剩下的两个数据的平均值。7.2.3采用冗余系统或热备用系统

某些控制系统要求有极高的可靠性，如化工、造纸、冶金、核电站等。如果控制系统出现故障，由此引起的停产或设备损坏就会造成极大的经济损失或极其严重的事故。通过提高PLC控制系统的自身可靠性满足不了要求，常采用冗余系统或热备用系统来解决上述问题。冗余系统

所谓冗余系统是指系统中有备用的部分，没有它系统照样工作。但在系统出现故障时，这备用的

部分能立即替代故障部分而使系统继续正常运行。冗余系统一般是用在控制系统中最重要的部分(如

CPU模块)，由两套相同的硬件组成。如果一套出

现故障，立即由另一套来控制。是否使用两套相

同的I/O模块，取决于系统对可靠性的要求程度。

常见的情况是采用CPU冗余，两套CPU模块使用相同的程序并行工作。其中一套为主CPU模块，一套为备用CPU模块。在系统正常运行时，备用CPU模块的输出被禁止，由主CPU模块来控制系统的工作。同时，主CPU模块还不断通过冗余处理单元（RPU）同步地对备用CPU模块的I/O映像寄存器和其他寄存器进行刷新。当主CPU模块发出故障信息后，RPU在1～3个扫描周期内将控制功能切换到备用CPU。I/O系统的切换也是由RPU来完成的。热备用系统

热备用系统的结构较冗余系统简单，虽然也有两个CPU模块在同时运行一个程序，但没有冗余处理单元RPU。两套CPU通过通信接口连在一起。

系统两个CPU模块的切换是由主CPU模块通过通

信口与备用CPU模块进行通信来完成的。当系统出现故障时，由主CPU通知备用CPU，并实现切

换，其切换过程相对要慢一些。7.3三菱FX2N系列PLC在电梯自动控制中的应用

电梯是典型的机电一体化产品，有相当多的电梯采用PLC来控制。FX2N系列PLC电梯控制系统功

能强、故障率低、工作可靠、寿命长。下面对一个由三菱FX2N-48MR为主控的3层电梯的PLC控制系统进行设计。1．电梯控制的功能要求由司机或乘用人员控制采用轿厢外呼叫、轿厢内按钮控制形式。轿厢内、外均由指令按钮进行操作。一楼设有厢外向上召

唤按钮SB3；二楼设有厢外向上召唤按钮SB4与向下召唤按钮SB5；三楼设有厢外向下召唤按钮

SB6。厢内设有开门按钮SBl，关门按钮SB2；一层内指令按钮SB7、二层内指令按钮层SB8及三层内指令按钮SB9。电梯运行到指定位置后，具有自动开/关门的功能，也能手动开门和关门。用指示灯显示电梯厢外的呼叫信号、电梯厢内的指令信号和电梯到达信号。能自动判别电梯的运行方向，并发出相应的指示信号。电梯上下运行由一台主电机驱动。电机正转电梯上升；电机反转电梯下降。电梯轿厢门由一台小功率电机驱动。电机正转厢门打开；电机反转厢门关闭。2．设计步骤PLC选型及输入、输出地址分配

根据控制要求，计算输入与输出点数，三层电梯有22个输入信号，19个输出信号，选择三菱

FX2N-48MR型可编程控制器，可以满足控制系统要求。输入信号及地址分配参见表7.1，输出信号及地址分配参见表7.2。表7.1输入信号及地址分配表7.2输出信号及地址分配2)梯形图程序设计

根据三层电梯控制的功能要求以及I/O点的地址分配表，来设计PLC控制程序的梯形图。为作图方便起见，把程序分成几段来设计。层呼叫指示灯控制

层呼叫指示灯控制梯形图如图7.5所示。当有乘客在电梯轿厢外的某一层按下呼叫按钮SB3、SB4、SB5和SB6中的任一个后，对应的输入点X010、X011、X012和X013中的某一个就会闭